考虑动力效应的钢筋混凝土结构抗震性能研究

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钢筋混凝土(RC)框架结构常见于我国的多层公共建筑中,其在服役期内的抗震性能密切关系到国家的民生安全与经济建设。地震作用本质上是循环往复的动力荷载,一方面材料在循环荷载下的微观损伤将导致构件宏观力学性能的退化;另一方面,材料的应变率敏感性使得构件在静力和动力荷载下的力学性能存在一定差异,即动力效应。尽管RC结构的抗震设计理论和分析方法已较为成熟,然而现行抗震规范中尚缺乏RC构件动力性能受材料应变率效应影响的相关条款。此外,已有考虑动力效应的结构抗震性能研究大都忽视了动力效应对构件变形能力、性能退化带来的不利影响。因此,为实现对RC结构更为准确、可靠的抗震性能评估,本文从理论和数值角度出发开展了考虑动力效应的RC框架结构抗震性能研究工作,主要研究内容及结论如下:(1)基于RC柱在地震应变率下的动力加载试验数据,分别采用最小二乘法、贝叶斯更新方法建立了确定和概率动力修正(DMC)模型。DMC模型与构件的主要设计参数和应变率指标有关,可以有效反映动力效应对RC柱构件关键力学参数,包括屈服承载力、峰值承载力、有效刚度和位移延性系数的影响,也可进一步用于构件骨架曲线的动力修正。与确定DMC模型相比,概率DMC模型具有预测更可靠、后续可更新和参数随机性的优势。(2)提出了考虑动力效应和损伤退化的RC构件宏观恢复力模型,可以有效反映RC柱在动力循环荷载下的多种性能退化模式,包括负刚度段、循环承载力和刚度退化以及捏缩效应。采用经验公式确定静力骨架参数,并基于DMC模型或特征点坐标的归一化比例关系得到动力骨架参数。建立动力修正Park-Ang损伤指标与退化模型参数之间的函数关系,并依据试验数据对模型参数进行了标定。通过与静力和动力加载试验曲线进行对比,验证了所提恢复力模型的准确性。(3)基于提出的考虑构件应变率状态的简化计算方法建立了动态集中塑性单元模型。在MATLAB平台上编制了 RC结构动力非线性分析程序,可依据计算得到的等效应变率和损伤指标数值,对塑性铰的恢复力模型进行实时动力退化修正。通过与振动台试验实测结果比较验证了本文方法和程序的可行性,并研究了动力效应对RC框架结构地震响应、损伤发展和破坏机制的影响规律。数值结果表明当地震动强度较大时,动力效应对结构抗震性能的影响较显著且其对结构抗震性能带来的不利影响应予以充分考虑。(4)建立了在RC结构抗震性能评估中考虑不确定动力效应的分析方法。通过参数敏感性分析,探究了结构参数随机变化对概率DMC模型不确定性的影响。在RC构件动力性能区间预测的基础上,提出了动力骨架模型簇的计算流程,并对RC框架结构的随机地震响应和损伤状态进行了数值分析。研究结果表明随机结构参数对DMC预测均值影响不大,但对预测值的离散性影响显著,主要影响因素为材料强度、轴压比和应变率指标,而其他因素的影响相对较小。此外,动力效应的不确定性对结构临近倒塌状态时的抗震性能评估有较大影响。
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